Лекция 3 по МДК 1.1. Конструкция, техническое обслуживание и ремонт транспортного электрооборудования и автоматики

Глава 2

АВТОМОБИЛЬНЫЕ АККУМУЛЯТОРНЫЕ БАТАРЕИ

Из всех электротехнических устройств современного высоконадежного и дол­говечного легкового автомобиля аккумуляторная батарея — самое ненадежное и недолговеч­ное. Низкая надежность наиболее отчетливо проявляется зимой при попытке запустить про­мерзший двигатель в те дни, когда температура воздуха не превышает -30°С. К сожалению, двигатель может и не завестись. Виной тому, как правило, аккумуляторная батарея. Недолго­вечность всем хорошо известна: любой самый современный автомобильный аккумулятор рабо­тает не более трех-пяти лет. В чем же здесь дело? Давайте разберемся.

2.1. Общие сведения

Автомобильная аккумуляторная батарея (АКБ)¹ — это обратимый (многократно заряжаемый) химичес­кий источник электрического тока, состоящий из ше­сти отдельных кислотно-свинцовых аккумуляторов, электрически соединенных последовательно и конст­руктивно скомпонованных в единый моноблок.

• По конструктивному исполнению (рис. 2.1) стар-терные АКБ подразделяют на: обслуживаемые, мало-обслуживаемые, необслуживаемые и монолитные.

Внешние отличительные признаки указанных че­тырех типов батарей следующие:

1. Обслуживаемая АКБ (рис. 2.1, а) имеет корпус­ной моноблок из черного эбонита, разделенный на несколько отдельных аккумуляторных банок. В каждую банку помещается один аккумуляторный элемент аккумулятор) борнами (токовыми выводами) вверх. Каждый аккумулятор накрывается защитной пласт­массовой пластиной с двумя отверстиями под борны и с одним центральным резьбовым отверстием под пробку для заливки электролита. Поверх пластины ак­кумулятор заливается разогретой до текучего состоя­ния термопластичной массой, например битумной ма­стикой. Выступающие вверх токовые выводы (борны) соединяются наружными свинцовыми перемычками, которые припаиваются к борнам. Соединения выпол­няются так, чтобы все аккумуляторы оказались соеди­ненными последовательно. На краевые борны напаиваются полюсные выводы (свинцовые выходные клеммы) батареи, которые имеют конусную форму и разные диаметры у вершины и основания.

Конструкция обслуживаемой АКБ позволяет про­водить проверку технического состояния каждого ак­кумулятора в отдельности (по плотности электролита и разрядному току на контрольную вилку) и в случае его выхода из строя — заменять на новый аккумуляторный элемент.

К основным недостаткам обслуживаемой АКБ отно­сятся: большие габариты и вес (в основном из-за при­менения тяжелого и массивного эбонитового корпуса); повышенное омическое сопротивление батареи (в том числе из-за наличия протяженных наружных соедине­ний); вероятность саморазряда по грязевым мостикам на наружных соединениях; наличие возможности про­сечек и испарения электролита через пробки.

2.Малообслуживаемая АКБ (рис. 2.1, б) собирается в полупрозрачном пластмассовом корпусном моноблоке (из полипропиленовой или полиэтиленовой термопластмассы) с применением внутренних соединений между отдельными аккумуляторами под общей герметичной крышкой. Это уменьшает габариты и
вес АКБ, а также исключает случайный саморазряд по внешним грязевым мостикам.

Каждый аккумулятор имеет отдельную заливную пробку, что позволяет контролировать его состояние то плотности и уровню электролита. Внутреннее сопротивление меньше, чем у обслуживаемых АКБ.

Главный недостаток малообслуживаемой АКБ — не­возможность измерить напряжение на каждом аккумуляторном элементе в отдельности и исключительная тудоемкость при его замене на новый аккумулятор.

3. Необслуживаемая АКБ (рис. 2.1, в) принципиально отличается от малообслуживаемой отсутствием пробок для заливки электролита и наличием на корпусе индикатора заряженности. Имеется также вентиляционный клапан. Батарея заправляется электролитом на заводе-изготовителе. Внутренние соединение
заполняются через стенки аккумуляторных банок. Необслуживаемая АКБ считается неремонтопригодной.
Основное преимущество — повышение эксплуатационной надежности из-за исключения потребности в доливке и в контроле за уровнем электролита и как следствие — более длительный срок службы.

4. Монолитная АКБ (рис. 2.1, г) — это новый тип автомобильной аккумуляторной батареи, созданный с применением ленточных электродов, которые после сборки аккумуляторных элементов и пропитки электро­литом сворачиваются в трубки. Основные внешние от­личия — аккумуляторы имеют цилиндрическую форму и внешние соединения с обеих сторон аккумуляторных цилиндров. Главные преимущества: малогабаритность, значительное увеличение тока холодной прокрутки, долговечность. Недостаток — высокая стоимость.

Основное назначение АКБ на борту автомоби­ля — это работа на электростартер при пуске двигате­ля внутреннего сгорания (ДВС). Именно поэтому ее ча­сто называют стартерной аккумуляторной батареей.

В исправной автомобильной стартерной батарее отдельные аккумуляторы совершенно идентичны. Это позволяет рассматривать устройство и работу батареи на примере одного аккумулятора.

Каждый аккумулятор в АКБ представляет собой активную электрохимическую систему:

[-Pb][H₂S0₄ + Н₂0][+РЬ0₂], (2.1)

включающую в себя пластины из губчатого свинца РЬ и пластины из двуокиси свинца РЬ0₂, которые разделены друг от друга сепараторами, помещены в кислотостойкую аккумуляторную банку и залиты сер­нокислотным электролитом H₂S0₄ + Н₂0.

В общем случае электролит — это жидкое, желе­образное или даже твердое химическое соединение, обладающее ярко выраженной ионной электропро­водностью. В таких веществах имеет место электро­литическая диссоциация, т.е. полный или частичный распад растворенного вещества на ионы вследствие его взаимодействия с растворителем.

В автомобильных аккумуляторах электролитом явля­ется 30%-ный водный раствор серной кислоты H₂S0₄ в дистиллированной воде Н₂0 с массовой концентрацией в 28...40% и с плотностью 1,21. ..1,31 г/см³. Рабо­чая температура для такого сернокислотного электро­лита лежит в интервале -30...+50°С.

Конструктивно каждый аккумулятор содержит не­сколько положительных и несколько отрицательных пластин, которые по знаку полярности собраны в полублоки. Таким образом, каждый полублок представ­ляет собой аккумуляторный электрод, набранный из параллельно соединенных пластин. При сборке акку­мулятора полублоки вдвигаются друг в друга и тем са­мым образуют аккумуляторный моноблок. Внутри мо­ноблока все пластины разделены сепараторами.

Классическая конструкция аккумуляторного моно­блока показана в правой части рис. 2.1, а. Аналогич­ную конструкцию пластинчатых электродов имеют все современные батареи (рис. 2.1, б, в), кроме мо­нолитных. Известные конструкции электродов моно­литных аккумуляторов представляют собой длинные тонкие свинцовые ленты, между которыми проложе­ны пропитанные электролитом ленточные сепарато­ры, и все это свернуто в трубку (рис. 2.1, г).

2.2. Устройство аккумулятора

Как положительные, так и отрицательные пласти­ны аккумулятора содержат внутри жесткий каркас, выполненный в виде тонкой сетчатой решетки из ле­гированного сурьмой, мышьяком, кадмием, оловом или кальцием свинцового сплава, что делает решет­ку жесткой. Свинцовые решетки выполняют также роль внутренних электросоединителей. Оптимальная толщина свинцовых решеток в современных аккуму­ляторах не превышает 1,2 мм для отрицательных и 1,5 мм для положительных электродных пластин. Масса решеток составляет около половины от пол­ной массы электродов.

В ячейки решеток вмазываются пастообраз­ные активные массы.

Активная масса отрицательных пластин — губчато-пористый свинец РЬ с диаметром пор не более 5 мкм, а положительных пластин — мелкопористая двуокись свинца РЬ0₂ с ячейками 10...15 мкм.

Активные массы для электродных пластин форми­руются из свинцовых порошков сурика РЬ₃0₄ и глета РЬО, которые растираются в слабом водном раство­ре (5...8%) серной кислоты до пастообразного состо­яния. Приготовленные таким образом пасты вмазы­ваются в ячейки свинцовых решеток. Решетки су­шатся и формуются постоянным электрическим то­ком, в результате чего на пластинах с суриком обра­зуется красно-коричневая положительно сухозаря-женная двуокись свинца РЬ0₂, а на пластинах с гле­том — серо-бурая, отрицательно заряженная свинцо­вая губчатая поверхность. Адгезия (сцепление) ак­тивных масс с решетками достаточно высокая и при заливке аккумулятора электролитом еще несколько повышается за счет химического спекания.

Для увеличения площади соприкосновения электро­лита с электродами активные массы имеют пористую структуру. Такая структура на положительных пласти­нах РЬ0₂ создается добавлением в сурик РЬ₃0₄ расши­рительных волокон, например из полипропилена. По­мимо расширения, волокна армируют двуокись свин­ца. На отрицательных пластинах пористость создается вспениванием микрочастиц порошкового глета РЬО при его электротермическом преобразовании в губча­тый свинец в присутствии микрозернистого, например гуматного, расширителя и сернокислого бария BaS0₄.

Сразу после изготовления электродных пластин пористые ячейки в активных массах непроницаемы, так как между пустотами остаются тонкие пленочные перегородки. После первичной заливки аккумулято­ра пленочные перегородки протравливаются серной кислотой, что приводит к образованию микрокана­лов для проникновения электролита в глубину актив­ных масс. При этом в губчатом свинце образуются микроканалы с проходным сечением в 20...25 мкм², а в массе двуокиси свинца, наполненной волокнис­тым расширителем, каналы достигают сечений в 250 мкм². Микроканалы увеличивают рабочую по­верхность электродных пластин в 50-80 раз по срав­нению с их геометрическими размерами.

Технология изготовления ленточных электродов для трубчатых аккумуляторов аналогична производст­ву оксидных конденсаторов. Однако состав свинцо­вых сплавов для электродных лент и состав веществ для активных реагентов разработчиком и фирмами-изготовителями не публикуются.

• Сепаратор, расположенный между электродны­ми пластинами, — это легко проницаемая для элект­ролита и легко им смачиваемая сетчатая или крупно­пористая пластина из кислотостойкого изоляционно­го материала. В качестве сепараторов используются, например, полихлорвиниловые пористые пластины (мипласт), сетчатые пластины из тонкого листового эбонита (мипор). Для монолитных аккумуляторов в качестве сепараторов применяют натуральный шелк-сырец на стекловолоконной подоснове или стекло-войлок. Такие сепараторы обладают высокой гигро­скопичностью и легко сворачиваются в трубки.

2.3. Электрохимические процессы в аккумуляторе

Электрохимическую систему [-Pb][H₂S0₄ + Н₂0][+РЬ0₂] свинцово-кислотного аккумулятора конструктивно можно представить в виде двух электродных пластин +РЬ0₂ и -РЬ, опущенных в банку с сернокислотным электролитом H₂S0₄ (рис. 2.2).

• Из химии хорошо известно, что если свинцовую пластину опустить в раствор серной кислоты, то на ее поверхности начнет протекать химическая реакция растворения. Отходными продуктами этой реакции станут сульфат свинца PbS0₄ и атомарный водород Н:

РЬ + H₂S0₄ → PbS0₄ + 2Н↑. (2.2)

Аналогичная реакция растворения будет иметь место и на поверхности пластины, которая покрыта двуокисью свинца:

РЬ0₂ + H₂S0₄ → PbS0₄ + Н₂0 + О↑. (2.3)

Здесь отходные продукты — все тот же сульфат свинца, вода и свободный кислород. Стрелки вверх (↑) указывают на наличие газовыделения.

Однако химические уравнения (2.2) и (2.3) не со­держат информации о промежуточных электрохи­мических процессах, которые приводят к появле­нию электрических потенциалов на электродных пластинах аккумулятора.

Восполним этот пробел следующими замечаниями.

Появление электрической разности потенциалов в любом химическом источнике тока связано с про­теканием в нем окислительно-восстановительной ре­акции, при которой активное вещество отрицатель­ного электрода отдает электроны, т.е. окисляется, а активное вещество положительного электрода при­нимает электроны и тем самым восстанавливается. Вещество, отдающее электроны, называется восста­новителем электрохимической системы, а вещество, принимающее электроны — окислителем. При этом и окислитель, и восстановитель предварительно рас­творяются электролитом.

На положительной пластине (на окислителе) по­следовательность процесса растворения и появле­ния электрического потенциала связана с восстанов­лением ионов свинца РЬ⁴⁺ из двуокиси РЬ0₂ свинца. Сначала серная кислота, взаимодействуя с дистилли­рованной водой, диссоциирует, т.е. распадается на положительные ионы Н⁺ водорода и на отрицатель­ные ионы HS0₄^- серной кислоты: (H₂S0₄) Н₂0→ (HS0₄^- + Н⁺) Н₂0. При этом электролитическая диссо­циация кислоты приводит к появлению свободных но­сителей зарядов в электролите:

H₂S0₄ + Н₂0 = HSO₄^- + ЗН⁺ + 2е + О.

Ионизированный раствор серной кислоты HS0₄^- является активным растворителем металлов и их окислов. Поэтому на пластине [+РЬ0₂] частично растворяется двуокись свинца с образованием сульфата свинца и двух молекул химически актив­ной воды:

Pb0₂ + (HS0₄^- + ЗН⁺ + 2е) = PbS0₄ + 2Н₂0.

Молекулы Н₂0, только что вышедшие из химичес­кой реакции, обладающие свойствами агрессивного растворителя, интенсивно взаимодействуют с дву­окисью свинца, в результате чего образуются четы­рехвалентные ионы РЬ⁴⁺ свинца и одновалентные ио­ны ОН^- гидроксилов: Pb0₂ + 2Н₂0 = Pb⁴⁺ + 40Н . Тя­желые ионы свинца не покидают пластину РЬ0₂ и за­ряжают ее положительно, а ионы ОН^-, оставаясь в растворе, заряжают граничную зону электролита от­рицательно.

Общее уравнение, описывающее электрохимиче­ские процессы и равновесие электрических зарядов на положительной пластине, имеет следующий вид:

2РЬ0₂ + H₂S0₄ + Н₂0 = 2РЬ0₂ + [HS0₄ + 3H⁺+ О + 2е] = [PbS0₄ + Pb⁴⁺] + [40Н^- + О] (2.4)

где [PbS0₄ + Pb⁴⁺] — реагенты на пластине РЬ0₂; [40Н^- + 0] — реагенты электролитного раствора.

Из уравнения (2.4) видно, что в процессе электро­литического растворения пластина РЬ0₂ получает по­ложительный заряд, а раствор электролита относи­тельно пластины РЬ0₂ - отрицательный.

Возникающая таким образом разность потенциа­лов, достигая определенных значений, прекращает растворение активной массы РЬ0₂, так как при этом наступает нейтрализация сил электролитического рас­творения силами электростатического поля. Энергия химических реакций растворения двуокиси свинца переходит в энергию электрического потенциала ср⁺₀.

Уравнение (2.4) наглядно проиллюстрировано рис. 2.3, который представляет собой топограмму гра­ничной зоны у положительной пластины +РЬ0₂ и отоб­ражает следующее:

• Электролит (H₂S0₄ + Н₂0) смачивает поверх­ность положительного электрода (блок а).

• Происходит диссоциация кислоты, и ионизиро­ванная серная кислота HS0₄" растворяет активную массу 2РЬ0₂. Свободный кислород О пузырьками вы­деляется в электролит (блок б).

• При растворении активной массы образуются молекулы воды Н₂0 и сульфат свинца PbS0₄. Суль­фат оседает на поверхность пластины РЬ0₂ (блок в).

• Молекулы воды, только что вышедшие из реак­ции, активно растворяют двуокись свинца РЬ0₂ на поверхности положительной пластины (блок г).

• При растворении из двуокиси РЬ0₂ свинца вос­станавливается чистый свинец в виде четырехва­лентных ионов РЬ⁴⁺, которые остаются на поверхно­сти пластины РЬ0₂ и заряжают ее положительно; ио­ны ОН" гидроксильных групп образуют условную по­верхность граничной зоны и тем самым заряжают электролит отрицательно (блок д).

• Возникшая разность потенциалов (блок е) на­зывается равновесным потенциалом положительно­

• го электрода, или просто электродным потенциалом

• На отрицательной пластине (на восстановителе) имеет место электролитическое растворение свинца, при котором губчатый свинец окисляется до четырех­валентного иона РЬ⁴⁺. В растворении участвует сер­ная кислота. Свинец расщепляется на положитель­ные ионы РЬ⁴⁺, которые выпадают в раствор элект­ролита и заряжают его положительно. Образовавши­еся свободные электроны остаются на поверхности свинцовых пластин, которые таким образом приоб­ретают отрицательный заряд. Возникает разность потенциалов ф_ = ф₀" - ф⁺_р в граничной зоне у отри­цательных пластин аккумулятора, которая называет­ся равновесным потенциалом отрицательного элект­рода, или электродным потенциалом ф_. Когда потен­циал ф_ уравновешивает силы растворения, электро­литический процесс прекращается. Энергия химиче­ской реакции растворения губчатого свинца перехо­дит в энергию электрического потенциала ф.

• Общее уравнение химической реакции и электриче­ского равновесия у отрицательных пластин имеет вид:

• 2Pb + H₂S0₄ → PbS0₄ + 2е + 2Н⁺ + РЬ⁴⁺ + 4е → [PbS0₄ + 4е] + [РЬ⁴⁺ + Н₂], (2.5)

• где [PbS0₄ + 4е] — реагенты на отрицательно заря­женной пластине РЬ; [РЬ⁴⁺ + Н₂] — реагенты в поло­жительно заряженном электролитном растворе.

• Уравнение (2.5) графически пояснено топограм-мой граничной зоны у отрицательной пластины -РЬ (рис. 2.4).

• Так происходит первичное накопление положи­тельных электрических зарядов на пластинах РЬ0₂ и отрицательных зарядов — на пластинах РЬ после первичной заливки аккумулятора сернокислотным электролитом.

• Разность потенциалов между электродами — есть электродвижущая сила (ЭДС) Е_а аккумулятора. Она определяется как разность значений электродных по­тенциалов Е_а = ф₊ - ф_ у противоположных пластин, которая для свинцово-кислотных аккумуляторов в обычных условиях в среднем равна 2,1 В. Так как чис­ло аккумуляторов в АКБ равно шести, ЭДС залитой су-хозаряженной автомобильной батареи равна 12,6 В.

• Из сказанного ясно, что первично сформирован­ная ЭДС аккумуляторной батареи не является следст­вием ее заряда от внешнего источника электричес­кой энергии, а есть результат начальных электрохи­мических превращений в сухозаряженной АКБ при ее заливке электролитом. Спустя два-три часа после заливки батарея набирает 80...90% номинальной ем­кости и готова к эксплуатации без подзарядки. Полу­чается так: в аккумуляторе при его заливке электро­литом часть активных масс и серной кислоты расхо­дуется на первичное формирование разности потен­циалов между электродами, тем самым аккумулятор приводится в рабочее состояние. На это затрачива­ется часть от номинальной емкости аккумулятора (не более 5%), которая быстро восстанавливается в пер­вом зарядном цикле. В необслуживаемых и монолит­ных АКБ заправка электролитом производится в за­водских условиях, где после этого емкость батареи доводится до номинальной.

• 2.4. Первичный разряд аккумулятора

• В каждом аккумуляторе полностью заряженной батареи еще до подключения ее к внешней нагруз­ке на положительных электродах сосредоточено зна­чительное количество четырехвалентных ионов РЬ⁴⁺ свинца (см. уравнение 2.4), а на отрицательных эле­ктродах — значительное количество свободных эле­ктронов (уравнение 2.5). В электролите в граничных зонах электродов сосредотачиваются ионы гидроксильных групп ОН (у пластин РЬ0₂) и ионы свинца РЬ⁴⁺ (у пластин РЬ). Такое состояние является состо­янием устойчивого электрохимического равновесия

• и может сохраняться в аккумуляторе достаточно долго. Но как только внешняя электрическая цепь будет замкнута, под действием ЭДС аккумулятора начнется движение свободных электронов через нагрузку от минусовой клеммы аккумулятора к плюсовой также свободных ионов внутри аккумулятора через электролит.

• Так возникает электрический ток I_Р разряда аккумулятора. На положительных электродах под дейст­вием излишка приходящих электронов начинается восстановление четырехвалентных ионов свинца до двухвалентного состояния: Pb⁴⁺ + 2е = РЬ²⁺. На отрицательных электродах под действием истечения уходящих электронов будет иметь место окисление губчатого свинца: РЬ - 2е = РЬ²⁺.

• 2.5. Заряд аккумулятора от внешнего источника тока

• Совершенно очевидно, что электрическая энер­гия электродных потенциалов, первоначально полу­ченная в аккумуляторе за счет его заливки электро­литом, рано или поздно истощится. Это может про­изойти как от работы аккумулятора на полезную на­грузку, так и от длительного его хранения за счет са­моразряда. В этом смысле аккумуляторы ничем не отличаются от одноразовых гальванических элемен­тов, которые относят к химическим источникам тока (ХИТ) первого рода.

• Однако, электрохимическая система [-Pb][H₂S0₄ + Н₂0][+РЬ0₂] аккумулятора обладает свойствами восстановления химических реагентов под воздействием обратного тока от внешнего источника электрической энергии. При этом внешняя электричес­кая энергия превращается в потенциальную химичес­кую энергию восстановленных реагентов. Химические источники тока, обладающие свойством вновь заря­жаться от внешнего зарядного устройства, относятся к ХИТ второго рода. В таких источниках имеет место не накопление электрической энергии в виде энергии за­рядов в конденсаторе, а аккумуляция, т.е. обратное со­бирание в элементах электрохимической системы хи­мически активных реагентов, ранее растраченных на токообразование в прямом направлении.

• На отрицательной пластине РЬ обратное электро­химическое преобразование при заряде аккумулято­ра протекает по следующей закономерности:

• PbS0₄ + Н₂0 → H₂S0₄ + РЬ + 0↓,

• а на положительной пластине РЬ0₂:

• PbS0₄ + 2Н₂0 → H₂S0₄ + РЬ0₂ + 2H↓

• Стрелки вниз (↓) указывают на перемещение ре­агентов в электролите.

• Данные химические реакции протекают под воз­действием внешнего электрического тока от заряд­ного устройства, что вначале приводит к разложе­нию сульфата свинца на ионы:

• PbS0₄ + Н₂0 → Pb²⁺ + S0₄^2- + Н₂0 — на отрица­тельной пластине;

• PbS0₄ + 2Н₂0 → Pb²⁺ + S0₄^2- + 2Н₂0 — на поло­жительной пластине.

• Далее на отрицательной пластине двухвалентный свинец нейтрализуется поступившими от зарядного устройства электронами и происходит восстановле­ние губчатого свинца: РЬ²⁺ + 2е = РЬ. Одновременно образуется серная кислота и отрицательный ион О^2- кислорода: Н₂0 + S0₄^2- = H₂S0₄ + О^2-.

• На положительной пластине при избытке воды двухвалентный ион свинца отдает два электрона во внешнюю цепь (зарядному устройству) и доокисляется до четырехвалентного иона РЬ⁴⁺, который вступа­ет в реакцию с водой и соединяется с двумя ионами атомарного кислорода 20^2-, за счет чего восстанав­ливается активная масса положительной пластины:

• РЬ⁴⁺ + 2Н₂0 = РЬ0₂ + 4Н⁺.

• Здесь так же образуется серная кислота в элект­ролите и два иона водорода:

• 4Н⁺ + S0₄^2-→ H₂S0₄ + 2Н⁺.

• Ионизированные атомы кислорода, образовав­шиеся у отрицательной пластины, и ионизирован­ные атомы водорода, образовавшиеся у положи­тельной пластины, в современных необслуживаемых аккумуляторах перемещаются в электролите в про­тивоположных направлениях: отрицательные ионы О^2- кислорода к положительной пластине +РЬ0₂, а положительные ионы Н⁺ водорода — к отрицатель­ной пластине -РЬ. На положительных пластинах от­рицательные ионы кислорода отдают электроны и переходят в атомарный кислород: 0^2- - 2е = О. На отрицательных пластинах положительные ионы во­дорода нейтрализуются свободными электронами 2Н⁺ + 2е = Н₂, что приводит к «дефициту» электро­нов на отрицательном электроде, и как следствие — к постепенному уменьшению тока заряда. Далее на пластинах происходит накопление ионов до тех пор, пока созданный ими дополнительный электродный потенциал не повысит напряжение на клеммах акку­мулятора до запорного значения U₃ = 2,5...2,7 В. При этом внутреннее сопротивление аккумулятора резко возрастет, а ток заряда практически прекра­тится. Наступает состояние полного заряда (полного восстановления активных реагентов) аккумулятора. После этого вся энергия электрического тока от за­рядного устройства начнет затрачиваться только на разложение воды на водород и кислород: Н₂0 → 2Н + О. В прежних конструкциях аккумулято­ров в конце заряда имело место интенсивное газо­выделение, что являлось признаком окончания про­цесса заряда. В современных необслуживаемых и монолитных аккумуляторах газовыделение не проис­ходит, так как наступает эффект запирания заряд­ного тока в начале газовыделения.

• Общее токообразующее уравнение химических пре­вращений в аккумуляторе при его заряде примет вид:

• 2PbS0₄ + [ЗН₂0 + H₂S0₄] (заряд) →Pb0₂ + Pb+ [3H₂S0₄ + Н₂0]. (2.7)

• Из выражения 2.7 видно, что в процессе заряда аккумулятора восстанавливаются не только реагенты, но и увеличивается концентрация серной кислоты: в электролите свободных молекул воды становится меньше, а молекул серной кислоты больше. Ясно, что при этом увеличивается плотность электролита, кото­рая может служить мерой заряженное™ аккумулятора.

• 2.6. Обратимость процессов в аккумуляторе

• Токообразующее уравнение 2.7 показывает, что свинцово-кислотный аккумулятор при заряде не на­капливает электрическую энергию, а преобразует ее в число молекул химически активных реагентов. При разряде химическая энергия реагентов в процессе реакции растворения переходит в электрическую энергию электродных потенциалов, которая и созда­ет ЭДС аккумулятора. В уравнении 2.7 из правой и левой части можно исключить по одной молекуле во­ды Н₂0 и по одной молекуле серной кислоты H₂S0₄. Тогда станет очевидным, что выражения 2.6 и 2.7 совершенно идентичны, но направления описывае­мых ими электрохимических превращений противо­положны. Это означает, что химические реакции разряда и заряда взаимообратимы, и для их обрати­мости необходимо и достаточно поменять направле­ние тока внутри аккумулятора.

• Тогда разрядно-зарядному циклу химических пре­вращений в аккумуляторе будет отвечать уравнение общей токообразующей реакции:

• РЬ + 2H₂S0₄ + РЬ0₂ ←(заряд)

• (разряд) → 2Pb S0₄ + 2Н₂0. (2.8)

• Формула 2.8 отображает обратимость химичес­ких процессов, происходящих в аккумуляторе, что было впервые описано теорией двойной сульфата-ции еще в 1883 г. Д. Гладстоном и А. Трайбом. Эта теория применительно к свинцово-кислотным аккуму­ляторам говорит о том, что когда аккумулятор разря­жается, часть активных химических реагентов пере­ходит в сульфат свинца и в воду. При заряде аккуму­лятора химические реакции протекают в обратном направлении и активные реагенты восстанавливают­ся. Однако следует иметь в виду, что полного восста­новления активных масс во время заряда не проис­ходит даже в совершенно новом аккумуляторе и да­же при идеальных условиях заряда. От цикла к циклу на электродах в АКБ накапливается сернокислый свинец (сульфат), и рано или поздно батарея оконча­тельно выходит из строя. Этому же способствует и так называемый саморазряд аккумулятора, который невозможно исключить полностью.

1

3