САМОДЕЛЬНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И СВОЙСТВА СВИНЦОВЫХ АККУМУЛЯТОРОВ

Каждый аккумулятор характеризуется известными электрическими величинами, знание которых необхо­димо для правильного суждения о свойствах элемента.

6. Электродвижущая сила. Электродвижущая сила (э. д. с.) аккумулятора (т. е. разность потенциалов в разомкнутой цепи) при нор­мальной плотности и сред­ней температуре электро-i лита принимается в сред­нем равной 2 вольтам, не­зависимо от размеров эле­мента, так как величина) э. д. с. определяется раз­личием химического со­става) активных масс ано­да и катода, а не их раз­мерами.

Установлено, что электро­движущая сила зависит от различных внешних усло­вий, из которых главные— плотность электролита, т. е. большее или меньшее со­держание кислоты в растворе. На рисунке 4 изображе­на кривая, показывающая изменение э. д. с. акумуля­тора в зависимости от удельного вес^д^ср^ра. серной
кислоты. Существует простая формула, с помощью ко­торой нетрудно определить э. д. с. аккумулятора, когда известна плотность электролита: * ' * ' *

Э. д. с. = 0,84 + удельный вес электролита при 15" С.

Если, например, удельный вес электролита равен 1,21, то э. д. с. данного аккумулятора будет: 0,84+. + 1,21 = 2,05 в-

От температуры электролита э. д, с. зависит в очекь незначительной степени, она повышается в пределах тысячных долей вольта на каждый градус Цельсия.

Отсюда понятно, что э. д. с. аккумулятора, измерен­ная при разомкнутой цепи, не может дать действи­тельного представления о состоянии заряда, так как из рисунка 4 видно, что э. д. с. разряженного аккуму­лятора с высокой плотностью электролита больше, чем э. д. с. элемента с меньшим процентом содержа­ния серной кислоты в растворе.

7. Внутреннее сопротивление. Внутреннее сопротив­ление аккумулятора очень невелико и даже в самых маленьких элементах, применяющихся для питания анодных цепей, оно при полном заряде достигает всего одной или двух десятых долей ома. Внутреннее сопротивление — величина непостоянная, она изменя­ется в продолжение заряда и разряда в связи с хими­ческими реакциями, имеющими место в аккумуляторе.. При разряде это сопротивление растет по мере обра­зования сернокислого свинца, имеющего высокое^ удельное сопротивление, и по мере уменьшения плот­ности электролита. При заряде же в связи с восста­новлением губчатого металла, образованием перекиси свинца и повышением плотности раствора кислоты внутреннее сопротивление уменьшается. Следователь­но, полное внутреннее сопротивление аккумулятора слагается из сопротивления электролита и пластин. Рисунок 5 показывает изменение при заряде внутрен:, него сопротивления маленькой анодной батареи, со­стоящей из 12 элементов. При полном разряде ее ..со­
противление равно 6,4 од/, a npri по/шом заряде — 1,29 ом.

При этом внутреннее сопротивление в продолжение всего времени разряда зависит от величины тока. С увеличением разрядного тока повышается и внут­реннее сопротивление ігри одинаковом количестве от­данных аккумулятором ам­пер-часов. Это объясняется уменьшением концентрации кислоты в торах пластин и снаружи их, вследствие не­достаточности ее обмена при больших плотностях тока.

8. Напряжение. Когда внешняя цепь аккумулято­ра разом, кнута, его напря­жение, измеренное вольтме­тром с большим сопротив­лением, будет равно элек­тродвижущей силе. Но как только элемент будет включен в цепь и начнет отда­вать ток для производства какой-то работы, напряже­ние его понизится на величину падения напряжения внутри аккумулятора. Величина этого падения будет ра»на произведению силы разрядного тока на внутрен­нее сопротивление элемента. Обозначая через Е элек­тродвижущую силу, U — напряжение, / — силу тока и R в». — внутреннее сопротивление, получим:

U — Е — (/•/?„„.),

Где 1-Rsh — падение напряжения в самом аккумуляторе.

И обратно, при заряде напряжение, приложенное к зажимам аккумулятора, должно быть больше его электродвижущей силы, так как заряжающему току / приходится преодолевать внутреннее сопротивление

О*

Аккумулятора, т. е. в данном случае мы получим:

U'^E + I^R,».

Говоря иначе, напряжение аккумулятора при заря­де и разряде будет тем больше отличаться от электро­движущей силы, чем больше окажется величина за­рядного или разрядного тока. Во время разряда вели­чина напряжения не остается постоянной, она посте­пенно уменьшается и когда падение напряжения до­стигает 10% первоначальной величины (2в—0,2в = = 1,8 в) дальнейший рааряд аккумулятора обыкновен­но прекращают.

При включении аккумулятора на разряд его напря­жение сразу снизится на величину падения напряже­ния внутри аккумулятора, но так как внутреннее сопро­тивление аккумуляторного элемента очень мало, то и падение напряжения в нем будет весьма небольшим. ■После этого начинается разряд, в течение которого, как нам известно из § 5, серная кислота электролита связывается с активной массой пластин, причем об­разуется вода. Поэтому около пластин получается слой электролита меньшей плотности, чем во всем ак­кумуляторе. А так как электродвижущая сила акку­мулятора, а с ним и напряжение зависит от плотности окружающего пластины электролита {§ 6), то э. д. с. и напряжение падают. Правда, внутри аккумулятора бу­дет происходить перемешивание электролита, но эта диффузия отстает, в результате чего около пластин и внутри их (пластины пронизаны насквозь по ївсем на­правлениям большим количеством мельчайших пор) плотность будет ниже, чем в остальном сосуде. По мере хода разряда, как это видно из рисунка 7, напря­жение начинает очень медленно и равномерно умень­шаться. Это объясняется двумя причина, ми. Прежде всего при разряде расходуется серная кислота и по- тому постепенно уменьшается плотность электролита го всем аккумуляторе. Затем пластины, постепенно по­крываются сульфатам на своей поверхности и внутри пор. Так как сульфат занимает больший объем, чем перекись свинца и губчатый металл, то сульфат по ме­ре своего образования сначала суживает, а затем со­вершенно закупоривает поры внутри пластин. Поэто - .му диффузия кислоты постепенно замедляется и, на­

Конец, наступает момент, когда диффузия оказывает­ся уже не в состоянии выравнивать плотность ки­слоты. В результате этого внутри пластин получает­ся электролит, содержащий очень мало кислоты, и потому напряжение аккумулятора резко падает. Это и есть конец разряда, но до такого состояния акку­мулятор разряжать нельзя и разряд прекращают как только напряжение в аккумуляторах, предназначенных дая питания ламп радиоприемников, 'понизится ДО 1,8 в. Если же теперь разомкнуть внешнюю цепь ак­кумулятора, то диффузия, хотя и медленно, но вы - равняет плотность электролита внутри пластин и во всем элементе и поэтому э. д. с. снова достигнет вели­чины, соответствующей плотности электролита, т. Є. произойдет, так называемое, «восстановление» э. д. с.

Во время заряда происходит то же самое, но в об­ратном направлении, Внутри и около Пластин выде­ляется образующаяся серная кислота, что вызывает повышение удельного веса электролита и увеличение э. д. с. и напряжения аккумулятора. Как и при раз­ряде, диффузия выравнивает плотность электролита,

Но за счет постепенного увеличения плотности раство­ра во всем элементе и в порах пластин кривая э. д. с. и напряжения постепенно повышается. Чём слабее за­рядный ток, тем меньше будет выделяться серной ки­слоты, тем быстрее диффузия начнет выравнивать плотность и напряжение будет расти меньше, как это и показывает рис. 6.

Когда большая часть сульфата перейдет в перекись и губчатый свинец, то часть зарядного тока за не­достатком сульфата начнет разлагать воду на кисло­род и водород, которые будут выделяться в виду пу­зырьков газа. К концу заряда это «кипение» заметно усилится и когда почти весь сульфат превратится в РЬОг и РЬ, то платность электролита перестанет уве­личиваться и напряжение, достигнув определенного ■максимума, также остановится на этой предельной ве­личине (2,6—2,75 в), что и служит признаком окончания заряда.

Если теперь по окончании заряда аккумулятор вы­ключить из зарядной цепи, то через некоторое время его напряжение упадет до величины, соответствующей плотности кислоты, так как диффузия выравняет плот­ность раствора кислоты.

Это явление подтверждает положение, что о состоя­нии заряда можно судить по напряжению при разряде аккумулятора на внешнюю нагрузку с допустимой для него величиной тока, а не при разомкнутой цепи (см. § 6).

Следовательно, кривая напряжения при заряде идет тем выше, чем больше зарядный ток (рис. 6), а при разряде она наоборот будет тем ниже, чем больше ток разряда (рис. 7). Причина этого — действие диф­фузии.

Чем ниже температура, тем больше удельное сопро­тивление электролита. Это увеличивает падение на­
пряжения внутри аккумулятора и кроме того при низ­ких температурах электролит становится более вязким (малоподвижным), диффузия затрудняется и процесс выравнивания плотности протекает гораздо медлен­нее. В результате этих причин кривая напряжения раз­ряда идет ниже, а кривая заряда — выше.

Повышение температуры электролита 'способствует диффузии и увеличивает проводимость кислоты и поэтому кривые разряда при повышении температу­ры становятся более пологими.

9. Емкость. Самой важной величиной, характе­ризующей тот или иной аккумулятор, является его электрическая емкость, т. е. выраженное в ампер-часах количество электричества, полученное от аккумулято­ра при его разряде нормальной величиной тока до минимально допустимого напряжения (1,8 в у радио­аккумуляторов).

Если обозначить емкость через С, величину разряд­ного тока через /, а время разряда в часах через і, то емкость выразится простой формулой, которая будет правильной при условии неизменности величины раз­рядного тока С — I • t.

Полная емкость аккумулятора будет всегда несколь­ко больше величины, полученной указанным выше спо­собом, но допускать аккумулятор до полного истоще­ния нельзя, так как от этого он может испортиться.

Емкость три одном и том же количестве активных веществ не является величиной постоянной, она изме­няется в зависимости от состояния активной массы, ти­па пластин, силы разрядного тока, количества и плот­ности электролита и «возраста» аккумулятора.

Если взять количество веществ (высчитанное на ос­нове токообразуюгцих реакций и закона Фарадея), не­обходимое теоретически для получения 1 ампер-часа то аккумулятор, построенный из такого количества ве­ществ, даст емкость гораздо ниже 1 ампер-часа, так как конструкция пластин не позволяет доводить хими­ческие реакции до конца и при предельном использо­вании активной массы и электролита уничтожились бы те подводы и отводы тока из губчатого металла и пе­рекиси свинца, которые ведут от активной массы к осно­ве пластин и без которых заряд аккумулятора становится почти невозможным.

Практика показала, что в аккумуляторах с решетча­тыми пластинами активная масса используется всего в пределах от 35 до 15%. При одинаковых прочих дан­ных коэфициент использования, т. е. отношение меж­ду весом вещества, действительно давшего емкость, и полным весом активной массы различны в зависимости от конструкции пластин и условий разряда.

Чем пористее активная масса, тем большей ем­костью будет обладать аккумулятор, так как при этом электролит может легче проникать в толщу активной массы. Толстая и плотная пластина, наоборот, будет иметь меньшую емкость. Повышению коэфициента ис­пользования способствует малая толщина пластин (вер­нее активной массы). Однако, недостаточная механиче­ская прочность слишком тонких пластин и быстрая их изнашиваемость не дают возможности применять очень тонкие пластины. Точно также вредна чересчур боль­шая пористость, так как она способствует чрезмерному отпаданию пасты. Пластины в плохом состоянии — сульфатированные или отвердевшие (отрицательные) всегда имеют меньшую емкость.

Чем большей величины берется ток ог аккумулятора, тем быстрее активная масса переходит в сернокислый свинец, т. е. расходуется больше серной кислоты. Поэ­тому при большом разрядном токе скорее наступает описанный выше момент, когда диффузия из-за суже­ния пор активной массы пластин будет не в состоянии поддержать необходимую плотность кислоты в порах. И хотя на электродах имеется еше достаточное' коди-
чество активной массы, аккумулятор окажется. разря­женным.

Этим объясняется столь характерная зависимость ем­кости свинцового аккумулятора от величины разряд­ного тока. Чем больше разрядный ток, тем меньше ем­кость аккумулятора. На рис. 9 дана кривая зависимо­го /00

S 90

I 80

K 70

% 60

Сти емкости пастированного аккумулятора от величи­ны разрядного тока.

Доказательством того, что разряд сильным током не требует расхода большого количества активной мас­сы, а он лишь не дает возможности полностью исполь­зовать ее, служит тот факт, что после некоторого «от­дыха» разряженный, казалось бы до конца, аккумуля­тор способен отдать еще сравнительно большое количе­ство энергии при слабом режиме разряда.

Крепость (концентрация) электролита также влияет на емкость, последняя возрастает до некоторого мак­симума с увеличением удельного веса электролита, по-
еле чего емкость начинает убывать, причем при быст­ром разряде наибольшая емкость получается при плот­ности электролита 1,32, а при медленном —1,20. Но так как высокая концентрация отрицательно сказыва­ется на сохранности заряда (способствует повышению саморазряда), то обычно применяют кислоту средней плотности.

Температура электролита имеет большое значение для емкости аккумулятора; чем выше температура, тем больше емкость. Можно в среднем считать, что наро - стание емкости сравнительно с емкостью при темпера­туре 15" С равно 1% на каждый градус при нормаль­ной величине тока. Процентная величина возрастает с усилением режима, что объясняется повышением при нагреве проводимости электролита и облегчением диффузии в порах пластин. Однако нельзя рекомендо­вать этот способ повышения емкости, потому что вы­сокая температура электролита способствует разруше­нию пластин и усиливает саморазряд аккумуляторов. Понижение температуры ниже нормальной величины точно также сказывается на емкости в сторону ее уменьшения.

Всякая жидкость с понижением температуры стано­вится более густой и вязкой; диффузия же замед­ляется с увеличением вязкости электролига. К то­му же поры активной массы настолько суживаются, что диффузия заметно замедляется.

Поэтому все аккумуляторные заводы указывают га­рантированную емкость при определенной температуре электролита во время разряда. Например, для аккуму­ляторов накала ВАКТ (Всесоюзный аккумуляторный трест) дает согласно ОСТ гарантированную емкость при температуре + 25°С.

При температуре ниже — 5° С падение емкости про­исходит еще резче. Диффузия при низкой температуре протекает очень медленно и плотность электролита в порах пластан падает весьма быстро. Может случиться, что электролит внутри пор активной массы превратится почти в чистую воду, которая замерзнет и аккумуля­тор потеряет емкость (временно, до отогревания).

Емкость аккумулятора в течение его срока службы не остается постоянной; она изменяется в довольно значительных пределах, причем это изменение проис­ходит неодинаково для положительных и отрицатель­ных пластин.

Активная масса положительных пластин недостаточ­но прочна, к тому же изменения объема [2] во время за­ряда и разряда влекут за собой постепенное отпадание перекиси, усиливающееся вследствие сильного газо­образования в конце заряда. Газы выходят из пор пла­стин со значительной силой, увлекая за собой частицы перекиси свинца, так что мало-по-малу положительные пластины разрушаются и перекись свинца, размельчен­ная и смешанная с кислотой, стекает на дно сосуда, образуя шлам.

Отрицательные пластины в начале их службы всегда обладают большей емкостью, чем положительные. Про­исходит это потому, что губчатый свинец во время ра­боты аккумулятора сжимается, теряет пористость и активность, так что емкость пластины уменьшается. Уплотнение массы сопровождается уменьшением объе­ма и отставанием ее от основы пластины, что ухудшает контакт между массой и решеткой и емкость снижается еще больше. Отсюда понятно, что отрицательные пла­стины могут потерять емкость полностью, несмотря на то, что масса целиком находится в их решетках.

10. Удельная емкость. Удельной емкостью называют частное от деления емкости в ампер-часах на полный вес аккумулятора в килограммах. При сравнении удель­ной емкости аккумуляторов той или иной конструк­ции емкость берется при одинаковых разрядных ре­жимах и одинаковой температуре.

11. Плотностью тока называют силу тока (при заряде или разряде) аккумулятора, пр'иходящуюся иа 1 Дцм2 действующей поверхности положительных пластин с обеих сторон, т. е.

Где N—^плотность тока, / — сила тока їв амперах при данном режиме разряда и S — полная поверхность по­ложительного электрода, исчисленная по наружным размерам с обеих сторон в квадратных дециметрах.

12. Отдача. При разряде аккумулятор возвращает не всю энергию, полученную им во время заряда. Часть энергии безвозвратно теряется, как и в любой машине, внутри самого аккумулятора.

Во-первых, во время заряда, особенно в конце его, неизбежно выделяются кислород и водород, т. е. часть тока бесполезно расходуется на их образование.

Затем, каждому аккумулятору свойственен, так на­зываемый, нормальный самозаряд (§ 13) вне зависимо­сти от того, работает аккумулятор или стоит в бездей­ствии. На разложение образовавшегося сульфата за­трачивается некоторое количество энергии.

Тратится бесцельно энергия вследствие нагревания электролита, происходящего благодаря смешиванию образующейся. при заряде серной кислоты с водою, а также на джоулево тепло (во внутреннем сопротивле­нии).

Понятно поэтому, что отдача аккумулятора всегда будет меньше 100%. В аккумуляторе различают отдачу по емкости, представляющую процентное отношение, емкости в ампер-часах, полученной от аккумулятора при его разряде, к тому количеству ампер-часа», кото­рое потребуется после этого для полного его заряда,

И отдачу по энергии (по работе), являющуюся отно­шением энергии в ватт-часах, полученной от аккуму­лятора при его разряде, к количеству ватт-часов, ко­торое потребуется для полного его заряда.

При постоянной, неизменяющейся величине тока за­ряда и разряда, отдачу по емкости (т]а) можно выразить формулой

/ - t 71 — Р - — / . t ' '3 13

А отдачу по энергии

U-t-I

Р р р

Оз-ty's

В этих уравнениях /, — ток заряда, 1р — ток разряда t3 — время заряда (в часах), tn — продолжительност, разряда, Up и U3 — средние значения напряжения пр разряде и заряде.

Отдача по энергии, как это вытекает из формул, за­висит от величины отдачи по емкости и от соотноше­ния между напряжением аккумулятора при заряде и разряде. А так как напряжение при разряде тем выше, а при заряде тем ниже, чем меньше величина тока, то, уменьшая разрядный и зарядный токи, можно повы­шать отдачу аккумулятора. Естественно также, что от­дача по энергии будет тем больше, чем меньшая ем­кость была взята от элемента при разряде, так как в случаях неполного разряда среднее напряжение повы­шается.

13. Саморазряд. Неработающий кислотный аккумуля­тор с намазными пластинами самопроизвольно теряет в обычных условиях ежедневно от 0,5 до 1% своей емкости. Такой саморазряд считается нормальным. Про­исходит он главным образом на отрицательном элект­роде благодаря очень большой поверхности соприка­сания мельчайших зерен губчатого свинца (средний по­перечник частичек свинца равен 0,07—0,17 мм) с элек­тролитом. Раствор серной кислоты действует на свин­
цовую губку, образуя сернокислый светец и водород

По уравнению

Pb-rH, S0l = PbS01 + Ha,

Т. е. электрод сульфатируется с выделением водорода. Чем выше температура и крепче раствор, тем больше ускоряется процесс, тем больше образуется сульфата, сильнее происходит выделение водорода и, следова-

Рнс. 10. Саморазряд отрица - Рис. 11. Кривые саморазряда тельиых пластин обоих электролов аккумулятора

Тельно, выше 'саморазряд. Кроме тоґо, новейшие ис­следования показали, что саморазряд отрицательных пластин происходит тем быстрее, чем больший про­цент сурьмы содержится в основе положительных пла­стин.

На рисунке 10 показано как растет с течением вре­мени количество сернокислого свинца на Отрицатель­ных пластинах неработающего аккумулятора. В дан­ном случае опыты производились с намазными пла­стинами толщиной 6 мм. Кривая А относится к акку­мулятору с кислотой удельного веса 1,32, а кривая б — к элементу с электролитом плотностью 1,19.

На рисунке 11 приведены кривые, показывающие ве­личину саморазряда отдельных электродов заряженно­го аккумулятора. Из кривых видно, что отрицательные пластины через 121 день потеряли всю свою емкость (нижняя кривая), а положительные лишь 28°/о.

На положительных пластинах такого действия серной кислоты не наблюдает­ся, так как на свинцовом остове (решет­ке) всегда имеется тонкий слой сульфата, предохраняющий металл от дальней­шего разъедания. Саморазряд лоложи - тельнькх пластин объясняется разностью потенциалов, существующей между пе­рекисью свинца и металлическим свин­цом решетки. Здесь получается целый ряд короткозамкнутых элементов, вслед­ствие чего происходит превращение активной массы в сульфат (рис. 12). Одновременно с саморазрядом происхо­дит формирование свинца рамы, кото­рый при последующем заряде переходит в перекись свинца. Кроме того, имеют значение и концентрационные токи, по - тельиом электроде лучающиеся вследствие неодинаковой плотности электролита в его разных слоях. Обычно плотность его выше в нижней части со­суда, т. е. нижние части пластин находятся в электро­лите большей плотности, чем верхние. Известно, что потенциал положительных пластин увеличивается с по­вышением плотности кислоты. Отсюда понятно, что если существует разность потенциалов между отдель­ными точками, то между ними появляются концентра­ционные токи, вызывающие саморазряд.