Повышение эффективности акб

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ БУРЯТИЯ

МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

АРМАКСКАЯ СРЕДНЯЯ ШКОЛА

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

ПОВЫШЕНИе ЭФФЕКТИВНОСТИ

РАБОТЫ СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫХ

АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ

Секция: Физика

Выполнил: Татарников Сергей,

ученик 8 класса

Руководитель: Татарникова Н. Н.

Учитель физики

Армак,

2016

ВВЕДЕНИЕ 3

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ 4

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 6

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 9

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 10

ПРИЛОЖЕНИЕ Ошибка! Закладка не определена.

На уроке физики мы проходили строение гальванического элемента, и мне стало интересно, из чего состоит аккумулятор автомобиля, как он работает и от чего зависит срок его службы. Я решил узнать об этом поподробнее. Выяснилось, что основными недостатками свинцово-кислотного аккумулятора, на данный момент, являются малая удельная энергоемкость (до 40—45 Вт·ч/кг), большая масса и недостаточно продолжительный срок службы.

Мне стало очень интересно, а можно ли сделать такой аккумулятор, который бы накапливал больше энергии и служил дольше. С этим вопросом я обратился к Наталье Николаевне. И мы совместно решили написать исследовательскую работу.

Актуальность нашей работы заключается в том, что в настоящее время очень важное значение имеют экологические проблемы, связанные с использованием транспорта. Перспективной заменой сегодняшних автомобилей могли бы быть электромобили, использующие сравнительно дешевую электроэнергию, однако электрические аккумуляторы, необходимые для них, так и не достигли нужных характеристик. Имеющиеся высокоэнергоёмкие аккумуляторы слишком дороги из-за применения драгоценных или дорогостоящих металлов (серебро, литий), также работают при слишком высоких температурах (рабочая температура натрий-серного аккумулятора — более 300 °С). Электромобили требуют более емких, мощных, долговечных батарей. И обычные кислотно-свинцовые аккумуляторы на эту роль подходят не лучшим образом.

Практическая значимость данной работы состоит в том, что на сегодняшний день свинцово-кислотные аккумуляторные батареи являются основным источником энергии на всем автомобильном транспорте и поэтому разработка новых химических источников тока и модернизация старых имеет очень важное значение для современной науки и техники.

Целью данной работы является увеличение эксплуатационных характеристик свинцово-кислотной аккумуляторной батареи, в первую очередь удельной энергоемкости и токоотдачи.

Для достижения данной цели нами были поставлены следующие задачи:

1. Обзор и систематизация литературных источников по данной теме;

2. Сборка биполярного аккумулятора;

3. Обобщение полученных результатов.

Объектом нашего исследования является свинцово-кислотные аккумуляторные батареи.

Предмет нашего исследования: повышение эффективности работы свинцово-кислотных аккумуляторных батарей.

Нами были применены следующие методы исследования:

1. Теоретический анализ и обобщение литературных данных;

2. Эксперимент и анализ полученных результатов.

Научная гипотеза нашего исследования состоит в том, что если собрать биполярный аккумулятор, то можно увеличить его энергоемкость и токоотдачу активной массы.

ИЗ ИСТОРИИ

Слово "аккумулятор" происходит от латинского accumulator, что означает "собиратель". В технике так называют устройства, накапливающие энергию с целью ее дальнейшего применения. Существуют пневматические аккумуляторы, тепловые и, наконец, электрические.

Свинцово-кислотный аккумулятор — наиболее распространенный на сегодняшний день тип электрических аккумуляторов, изобретен в 1859 году французским физиком Гастоном Планте.

Первые электрические аккумуляторы имели небольшую емкость (рис. 1, прил), то есть запасали совсем мало электричества. Но соединив несколько банок последовательно, напряжение батареи можно было повысить, а при параллельном их включении повышалась емкость. При этом ток прибора оказывался тем сильнее, чем большая поверхность пластин соприкасалась с раствором электролита.

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 впитанным сепараторами электролитом, батареи герметизировали, а для отвода газов, выделяющихся при заряде или разряде, установили клапаны.

Их масштабное производство определяется относительно низкой стоимостью и простотой обслуживания.

ХАРАКТЕРИСТИКИ СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ

Напряжение разомкнутой цепи заряженного аккумулятора равно 2,05-2,15 В, в зависимости от концентрации серной кислоты. При разряде по мере разбавления электролита напряжение разомкнутой цепи аккумулятора понижается и после полного разряда становится равным 1,95-2,03 В.

Герметизированные свинцовые аккумуляторные батареи работоспособны в интервале температур от -30 до +50 °С, чаще гарантируется работоспособность при температуре не ниже -15 °С.

При продолжительном хранении в заряженном состоянии батареи рекомендуют периодически подзаряжать. Если они хранились при температуре ниже -20 °С, то подзаряд должен проводиться 1 раз в год в течение 48 ч при постоянном напряжении 2,275 В/ак. При хранении при комнатной температуре - 1 раз в 8 месяцев в течение 6-12 ч при постоянном напряжении 2,4 В/ак. Хранение при температуре выше 30 °С не желательно.

Продолжительное хранение батареи в разряженном состоянии приводит к быстрой потере ее работоспособности.

Самое большое влияние на срок службы герметизированного свинцово-кислотного аккумулятора оказывают: рабочая температура, глубина разряда и величина перезаряда, а также периодичность срабатывания клапана для сброса газа.

На рисунках 2 и 3 (прил.) изображено изменение срока службы в зависимости от глубины разряда и температуры окружающей среды.

Количество электричества, полученное от аккумулятора при его разряде до определенного конечного напряжения, называется емкостью аккумулятора. В практических расчетах емкость аккумулятора принято выражать в ампер-часах (А•ч).

Уменьшение емкости аккумуляторов при разомкнутой внешней цепи (бездействии) называют саморазрядом.

Саморазряд аккумуляторов зависит от температуры электролита. Эта зависимость показана на рисунке 4 (прил.), где видно, что с уменьшением температуры саморазряд понижается. При температуре ниже 0 °С у новых аккумуляторных батарей он практически прекращается. Поэтому хранить автомобильные аккумуляторы рекомендуется в заряженном состоянии при низких температурах (до -30 °С). Из рисунка также видно, что в течение эксплуатации саморазряд не остается постоянным и резко усиливается к концу срока службы.

Саморазряд также может возникать, если аккумулятор снаружи загрязнен, залит электролитом, водой или другими жидкостями, которые создают возможность разряда через электропроводную пленку, находящуюся между полюсными выводами аккумулятора или его перемычками.

КОНСТРУКЦИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ БАТАРЕИ

Основным недостатком свинцово-кислотных аккумуляторов является их сравнительно низкая токоотдача, а также токоприем, приводящий к длительному заряду. Основной причиной этого недостатка является плохой токосъем с активной массы пластин и медленная диффузия ионов. Последнее можно устранить с помощью впитывания жидкого электролита в сепараторах с высокой объемной пористостью.

Плохой токосъем с активной массы пластины обусловлен невысокой площадью токоотвода, и, следовательно, высоким сопротивлением. На рисунке 5 (прил.) показана наиболее часто используемая решетчатая свинцовая пластина, на которую затем наносят активный слой диоксида свинца. Ток от слоя к пластине проходит через торец, который обладает небольшой площадью. Расположение токосъемной шины не обеспечивает равного сопротивления току от всех участков электрода, что вызывает неравномерность распределения плотности тока по площади пластины (в верхней части она больше), что приводит к неэффективному использованию площади, снижению емкости аккумулятора, покрытию пластин сернокислым свинцом и снижению срока службы аккумулятора.

Указанные недостатки были отмечены еще Н. Тесла. Он предложил так называемый биполярный аккумулятор (рисунок 6 прил.), в котором пластины являются стенками между отдельными аккумуляторами батареи и с одной стороны являются положительными электродами, с другой – отрицательными. Между ними проложены сепараторы. В такой батарее пластины выполнены из листового свинца, и вся их поверхность является токосъемной, к тому же путь для электронов в данном случае невелик – он определяется толщиной пластины.

Для подтверждения данной гипотезы нами была изготовлена экспериментальная аккумуляторная батарея.

Вся работа выполнена с соблюдением техники безопасности.

Мы взяли два сухозаряженных аккумулятора одной марки (рис. 7, прил.). Один разобрали, а второй приняли за эталонный.

Технология выполнения эксперимента:

1. На свинцово-кислотном сухозарядном АКБ открутились клапаны;

2. Спиливалась крышка свинцово-кислотного аккумулятора (рис 8, прил);

3. Аккуратно из него доставались сепараторы, в данном случае стекловолокно AGM, необходимое нам для сборки биполярного аккумулятора;

4. В качестве пластин брался листовой прокатный свинец толщиной 3 мм с малым содержанием примесей. Размеры электродов – 15 на 15 см;

5. Положительные пластины покрывались слоем двуокиси свинца, затем прессовались и прокалывались (рис. 9 прил);

6. Отрицательные пластины покрывались слоем мелкозернистого порошка, для облегчения образования губчатого свинца в процессе заряда-разряда (тренировки аккумулятора);

7. Сепараторы, после сборки аккумулятора пропитывалось раствором серной кислоты плотностью 1,33 кг/м³ в количестве, равном 85% от объема сепаратора;

8. Каждый аккумулятор изолировался друг от друга кислотостойким герметиком;

9. Батарея состоит из 6 аккумуляторов (7 пластин). Общий вид батареи представлен на рисунке 10 (прил.);

10. После сборки, батарея подверглась зарядке постоянным током с напряжением 14,4 В, в течение 15 ч., затем контрольно-тренировочным циклам, т.е. периодическому заряду и разряду. Использовалось зарядное устройство Turnigy Accucel-6;

11. Были проведены сравнительные разрядные испытания эталонной и экспериментальной свинцово-кислотных аккумуляторных батарей;

12. Проводились испытания экспериментальной батареи на кратковременный разряд током 30 А циклическим методом (полный разряд-заряд).

13. Для получения сравнительных данных, аналогичной процедуре была подвергнута эталонная батарея.

Из вышесказанного нами сделаны следующие выводы:

После нескольких суток заряда поверхность отрицательной пластины превратилась в губчатый свинец и после окончания заряда напряжение на батарее оказалось равным 12,6 В, разброс напряжения по различным банкам указан в табл.1.

Табл. 1

После 10 циклов полного разряда-заряда, была замерена емкость аккумулятора, которая оказалось равной 4,5 А·ч., емкость эталонной батареи была равна 3,8 А·ч.

Измерение емкости экспериментальной батареи при 20 часовом режиме разряда током 0,25 А. составило 5,1 А·ч, емкость эталонной батареи – 5 А·ч.

Удельная энергоемкость оказалась невысокой – около 18 Вт·ч/кг (масса батареи 2,3 кг), что вызвано, по-видимому, плохой технологией изготовления пластин, и возможно, использованием не очень чистых материалов (наибольшая достигнутая энергоемкость для свинцово-кислотных аккумуляторов – 40 Вт·ч/кг)

Зависимость напряжения батареи от времени разряда показана на рис. 9, вверху для эталонной батареи, внизу – для экспериментальной. Из рисунка видно, что экспериментальная батарея показала лучшие результаты, чем эталонная. Наиболее важным показателем здесь является пологость участка АВ (рис. 11, прил.), которая означает более лучшую нагрузочную характеристику батареи.

Из этого следует, что биполярная батарея способна выдавать большие токи, чем монополярная, значительно не теряя при этом своей емкости.

Разработка новых химических источников тока и модернизация старых имеет очень важное значение для современной науки и техники, и прежде всего, обусловлено глобальной экологической проблемой. И, хотя химические источники тока с точки зрения утилизации не являются экологически чистыми, они могли бы заменить другие, менее «чистые» источники энергии, прежде всего двигатели внутреннего сгорания.

Целью данной работы была попытка улучшения характеристик свинцово-кислотного аккумулятора, наиболее дешевого и распространенного типа химического источника тока. На наш взгляд, попытка удалась: аккумулятор собранный нами показал лучшие результаты, в сравнении с эталонным. И, хотя эти результаты отличаются не намного, имеет смысл дальнейшего продолжения работы в данном направлении. Мы считаем, что если улучшить конструкцию биполярной батареи (использовать более чистые материалы, приблизить технологию изготовления пластин до промышленной, использовать наиболее подходящие с конструкционной точки зрения сепараторы), можно в существенной степени улучшить характеристики батареи. И это в первую очередь касается удельной энергоемкости батареи. В этом плане работа по совершенствованию свинцово-кислотного аккумулятора биполярной конструкции будет продолжена.

1. Бернт Дитрих. Электрохимические накопители энергии//«Наука и техника». - 1998.

2. Каменев Ю. Б., Лушина М. В., Васина И. А., работа свинцово-кислотных аккумуляторов в условиях постоянного недозаряда// Электрохимическая энергетика. – 2008. - Т 8. -№3. – с 146-151.

3. Ламтев Н. В. Самодельные аккумуляторы. Москва.- Государственное издательство по вопросам радио. - 1936.

4. Новые способы зарядки и восстановления свинцовых аккумуляторов.- http://adopt-zu-soroka.narod2.ru/.

5. Способ сборки биполярной аккумуляторной батареи: Патент Российской Федерации № 2024999 Райхельсон Л.Б., Мальков Ю.М., Яковлев В.Г., Никольский В.А., Ардов Л.З., Алтыпов В.И., Савинова Э.С., Романова Н.В. – 1994.

6. Таганова А. А., Бубнов Ю. И., Орлов Б. Герметичные химические источники тока: элементы и аккумуляторы, оборудование для испытаний и эксплуатации: СПб. - Химиздат. - 2005.

Рис 1. Один из первых аккумуляторов

Рис 2. Зависимость срока службы свинцово-кислотной батареи от глубины заряда

Рис 3. Зависимость срока службы свинцово-кислотной батарее от температуры

Рис. 4 Среднесуточный саморазряд необслуживаемой аккумуляторной батареи за три месяца в зависимости от температуры и продолжительности эксплуатации (содержание sb - 2,5%):
1 - новый аккумулятор, 2 - аккумулятор после среднего срока эксплуатации, 3 - аккумулятор в конце срока службы

Рис.5 Намазная пластина

Рис. 6. Биполярный аккумулятор

стенки между банками – свинцовые электроды

Рис.7. Свинцово-кислотный аккмулятор

Рис.8. Разборка свинцово-кислотного аккумулятора

Рис.9 Пластина с нанесенным слоем двуокиси свинца

Рис.10 Общий вид батареи

Рис.11 Разрядные характеристики эталонной и опытной батареи при токах 2,5 А