Аккумуляторы

Гальванические элементы, являющиеся химическими источниками тока, создают электрическую энергию за счет односторонне протекающей реакции растворения отрицательного электрода, которым чаще всего служат цинк или магний, причем цинк и магний можно рассматривать как своего рода топливо, за счет сгорания которого и образуется электрический ток. В отличие от этого, в аккумуляторах, тоже являющихся химическими источниками электроэнергии, используются химические реакции обратимого типа, т. е. такие, которые могут протекать в прямом и обратном направлениях, в зависимости от того, является ли аккумулятор поглотителем электроэнергии (при зарядке) или он служит ее источником (при разряде).

Материал самих электродов в аккумуляторах хотя и изменяется в процессах заряда и разряда, но расходования его не происходит.

Сущность действия аккумуляторов различных типов заключается в использовании продуктов электрохимического разложения электролита зарядным током, причем во время заряда эти выделяющиеся в виде молекул газов продукты из электролита переходят в вещество электродов аккумулятора, обычно имеющих форму пластин, и остаются там в химически связанном или в абсорбированном виде, а при разряде они освобождаются и возвращаются обратно в электролит.

Для демонстрации электрохимического действия тока обычно пользуются прибором, известным под названием вольтаметра, изображенным на рис. 84 а. В сосуд с дистиллированной водой, подкисленной серной кислотой, введены две платиновые проволочки, на которые надеты заполненные этим же электролитом опрокинутые пробирки, служащие для собирания газообразных продуктов разложения воды. При подключении к вольтаметру питающего напряжения через электролит, состоящий из воды (Н20) и серной кислоты (H2S04), проходит ток, причем от молекул H2S04 отторгаются молекулы водорода Н2, который и начинает выделяться на отрицательном электроде в виде газовых пузырьков, по мере увеличения отрывающихся от этого электрода и накапливающихся в правой пробирке. Остаток каждой молекулы серной кислоты S04 немедленно вступает во взаимодействие с молекулой воды и, отни- мая у нее молекулу водорода, восстанавливается в молекулу серной кислоты H2S04. Остатки молекул воды представляют собой кислород, который выделяется на положительном электроде и по мере накопления собирается в левой пробирке. В результате электрохимического действия тока после всех превращений молекул электролита разложенными на составные части оказываются только лишь молекулы воды, причем в полном соответствии с формулой Н20 объем получающегося кислорода вдвое меньше объема водорода. Плотность раствора серной кислоты после разложения воды током несколько увеличивается.

Если провода вольтаметра, в котором накопилось некоторое количество водорода и кислорода, соединить с вольтметром, последний покажет наличие напряжения около 2 в. 

Аккумуляторы

Рис. 84. Вольтаметр и системы пластин кислотных и щелочных аккумуляторов.

Оставив вольтметр присоединенным надолго, можно заметить, что показания его остаются неизменными, а объем газов в пробирках постепенно уменьшается. Разность потенциалов в вольтметре и электрический ток, проходящий через вольтметр и создающий отклонение его стрелки, создаются за счет обратного электрохимического процесса, совершающегося в областях электродов, граничащих с газовыми объемами и с электролитом в пробирках. В результате этого процесса газы переходят в электролит, образуя воду, а затраченная на разложение воды электрическая энергия выделяется в цепи вольтметра. Если эту цепь нарушить, объемы газов сохраняются неизменными; если ее вновь замкнуть, уменьшение объемов кислорода и водорода продолжится вплоть до их полного исчезновения. К этому моменту исчезнет и разность потенциалов, обнаруживаемая вольтметром, а плотность электролита сделается равной первоначальному ее значению.

Такой вольтаметр с платиновыми электродами можно рассматривать как примитивный аккумулятор электрической энергии (слово „аккумулятор" означает „собиратель"). Практического значения такой газовый аккумулятор, конечно, не имеет, так как сила разрядного тока в нем ничтожно мала, а применение платины в качестве материала для электродов исключается ее дороговизной.

Весьма широкое применение во всех областях техники в настоящее время находят себе аккумуляторы двух систем: кислотные (или свинцовые) и щелочные. В кислотных аккумуляторах электродами служат свинцовые решетки (пластины) с ячейками, заполненными активной массой, состоящей из соединений свинца с кислородом, а электролитом является раствор серной кислоты в дистиллированной воде. Положительные и отрицательные пластины заполняют сосуд аккумулятора, будучи отделены друг от друга пористыми прокладками (так называемыми „сепараторами") и располагаясь так, чтобы смежными были пластины разных полярностей, подобно тому как располагаются относительно друг друга пластины плоских конденсаторов. При таком устройстве прохождение тока через электролит от одной системы пластин к другой совершается по кратчайшему пути между расположенными против друг друга большими активными поверхностями совокупности всех пластин, что делает внутреннее сопротивление аккумулятора очень малым в сравнении с внутренним сопротивлением гальванических элементов.

Расположение пластин в сосудах кислотных аккумуляторов показано на рис. 84 б. Отрицательных пластин в кислотном • аккумуляторе всегда на одну больше, чем положительных, потому что объем активной массы положительных пластин при заряде заметно увеличивается и, если положительная пластина будет взаимодействовать с отрицательной лишь одной своей стороной, она подвергнется при заряде и разряде сильному короблению, подобному деформациям биметалла при изменениях температуры.

Аккумуляторы чаще всего оформляют конструктивно в виде блоков, содержащих несколько последовательно соединенных элементов, в своей совокупности являющихся аккумуляторной батареей. Весьма распространены, например, автомобильные 6- и 12-вольтовые аккумуляторы, заключающие в себе соответственно 3 и 6 находящихся в общем сосуде, разделенном непроницаемыми перегородками на изолированные отсеки, в которых помещены системы пластин, отдельных составляющих батарею элементов. Таким образом, термин „аккумулятор" теперь применяется не только к единичным вторичным элементам, но и к блочным аккумуляторным батареям, причем в последнем случае необходимо добавлять сведения о напряжении аккумулятора, по которым можно судить о числе отдельных элементов в блоке.

Кислотные и щелочные аккумуляторы в принципиальном отношении совершенно подобны газовым, однако в них продукты электрохимического разложения электролита при зарядке не поглощаются электродами, а вступают в обратимую химическую реакцию с содержащимися в них активными веществами. Химический состав положительных и отрицательных пластин полностью разряженного кислотного аккумулятора примерно один и тот же, так как главную часть их общей массы составляет окись свинца. В процессе зарядки на положительных пластинах образуется кислород, превращающий окись свинца в перекись, имеющую красновато-бурый цвет, а на отрицательных — водород, раскисляющий окись в чистый металлический свинец губчатого строения, цвет которого светло-серый.

В процессе зарядки плотность электролита несколько возрастает, так же как это наблюдалось и в водородно-кислородном вольтаметре. К тому времени, когда вся окись положительных пластин превратится в перекись свинца, в правильно построенном аккумуляторе отрицательные пластины также должны состоять из одного только губчатого свинца. Продуктам дальнейшего разложения электролита при продолжающейся зарядке вступать в химическое соединение уже не с чем, и они будут выделяться в виде пузырьков водорода и кислорода, смешиваясь в гремучий газ, выходящий из отверстия в крышке аккумулятора. Аккумуляторный электролит как бы начинает „кипеть", что и служит признаком окончания зарядки.

В заряженном аккумуляторе, так же как и в элементе Лекланше, например при его хранении, химические реакции отсутствуют или крайне замедлены. Если же между зажимами аккумулятора подключением каких-либо нагрузочных сопротивлений создается проводимость, немедленно возникает реакция превращения перекиси свинца положительных пластин в окись и одновременно губчатого металлического свинца отрицательных пластин тоже в окись свинца, причем в цепи нагрузки будет проходить постоянный ток. При разрыве цепи реакция моментально приостанавливается, возникая вновь лишь при новом замыкании. У свежезаряженного аккумулятора напряжение на зажимах составляет около 2,2 в, по мере разряда оно медленно снижается и по достижении значения 1,8 в начинает падать ускоренно, вследствие чего указанное напряжение аккумулятора считается признаком его разряженносги.

В действительности электрохимические процессы в аккумуляторе совершаются по значительно более сложной схеме, намеренно упрощенной здесь для большей наглядности. Так, на самом деле от взаимодействия свинца и свинцовых окислов при заряде и разряде в аккумуляторе временно появляется еще и сернокислый свинец, однако сущность дела от этого меняется мало, поскольку основой работы аккумулятора является связывание продуктов разложения электролита веществами пластин во время зарядки и полное возвращение их. в электролит при разряде аккумулятора, вследствие чего зарядо-разрядный цикл может быть повторен неограниченное число раз.

В щелочных аккумуляторах процессы заряда и разряда протекают аналогичным образом, однако в них применены иные химические вещества. Электролитом служит раствор едкого калия или едкого натра, а пластины сделаны в виде собранных в металлических рамках галет, каждая из которых состоит из плоской тонкостенной дырчатой никелевой оболочки, заключающей в себе химически активный состав, способный вступать в обратимые соединения с продуктами электрохимического разложения электролита. Система положительных и отрицательных пластин щелочного аккумулятора делается так, как показано на рис. 84 в, т. е. каждая отрицательная- пластина обеими своими сторонами взаимодействует с положительными пластинами, вследствие чего общее число положительных пластин щелочного аккумулятора всегда больше, чем отрицательных. Щелочные аккумуляторы собирают в железных наглухо заваренных после сборки сосудах, поэтому ремонт их кустарным порядком невозможен и никогда не производится. У заряженного аккумулятора напряжение 1,3 в, разряженного— 0,9 в на каждую банку (элемент). В конце заряда напряжение может подняться до 1,8 в, но оно при разряде быстро снижается и долго остается равным 1,2 в.

Основные свойства кислотных и щелочных аккумуляторов приведены в табл. 10. Из этой таблицы можно видеть значительное различие эксплуатационных достоинств кислотных и щелочных аккумуляторов. Главным преимуществом щелочных аккумуляторов является безусловно большая, чем у кислотных, механическая прочность как сосудов, так и систем пластин, а также неповреждаемость при коротких замыканиях и при чрезмерных значениях зарядного тока. Нормальным режимом заряда кислотных аккумуляторов является такой, когда, зарядный ток в амперах составляет 10% от емкости аккумулятора в амперчасах. Для щелочных аккумуляторов нормальный зарядный ток в амперах должен составлять до 25% ампер- часов их емкости.

Так, например, кислотный аккумулятор (или батарею аккумуляторов) емкостью в 45 а-ч целесообразно заряжать током в 4,5 а в течение отрезка времени около 10 час., так как обычно на зарядку ставятся аккумуляторы, разряженные еще далеко не до конца, и введенных в аккумулятор амперчасов хватит не только на то, чтобы полностью его зарядить, но он еще немного и „покипит". В том случае, если заряжаются очень сильно разрядившиеся кислотные аккумуляторы, время полной зарядки будет часа на 2—3 большим, а об окончании ее следует судить по интенсивному „кипению" электролита.

Таблица 10

Аккумуляторы

Щелочные аккумуляторы „кипят" с самого начала зарядки и о полном их заряде лучше судить по напряжению, возрастающему до 1,5 в и более на банку.

Так же, как и гальванические элементы, аккумуляторы и их блоки соединяют в батареи с самыми различными напряжениями, причем формулы для расчета напряжения, емкости и внутреннего сопротивления батарей те же, что и для первичных элементов.

При эксплуатации аккумуляторов необходимо соблюдать правила безопасности в обращении с едкими жидкостями и веществами, поскольку электролитами являются сильные кислоты и щелочи, способные вызвать тяжелые ожоги тела и разрушающие одежду и обувь при случайном попадании на них.

При приготовлении электролита для кислотных аккумуляторов ни в коем случае нельзя лить воду в серную кислоту, так как вода при этом мгновенно вскипает и сильно разбрызгивает кислоту. Надо лить кислоту в воду, но и при этом следует защищать глаза очками. Для нейтрализации вредного действия кислотного электролита применяют растворы соды или поташа, которыми нужно промыть места попадания электролита. Средством против разъедающего действия щелочного электролита служит раствор борной либо уксусной кислоты. Применимы также весьма слабые растворы других кислот, например соляной, продающиеся в аптеках в качестве медикамента.

В помещениях, где производят зарядку аккумуляторов, и в помещениях,  смежных с ними, должна быть устроена интенсивная вентиляция. Несмотря на вентиляцию, следует остерегаться курить, зажигать спички и вообще создавать открытое пламя, потому что гремучий газ, выделяющийся из открытых пробочных отверстий заряжаемых аккумуляторов, может скапливаться в случайных „застойных" углах помещений, что таит в себе опасность сильного взрыва с тяжелыми последствиями. В практике обращения с аккумуляторами зарегистрировано много случаев таких аварий, и это следует иметь в виду. В специально оборудованных аккумуляторных электроосветительную арматуру и выключатели делают герметически закрытыми.

Смотрите также