Свинцово-кислотные аккумуляторы — устройство и принцип действия

Аккумуляторные батареи являются неотъемлемым атрибутом любого современного транспортного средства. Они вырабатывают энергию, необходимую для пуска двигателя внутреннего сгорания, а в гибридных электрокарах выступают ещё и движущей силой. Несмотря на постоянно продолжающиеся разработки, свинцово-кислотные батареи остаются одними из самых распространённых на рынке.

Устройство свинцово-кислотного аккумулятора

Конструкция батареи свинцово-кислотного типа кардинально отличается от других устройств, предназначенных для выработки пускового тока и питания электроприборов. Хотя в самой сути лежат химические процессы и электролиз. Диоксид свинца и чистый свинец вступают во взаимодействие с раствором серной кислоты.

Устройство АКБ такого типа можно описать химическими процессами: в ходе нагрузки происходит образование сульфата свинца. В это время этот металл окисляется на аноде, а на катоде восстанавливается его диоксид. В процессе заряда протекают противоположные реакции. На пластинах располагается сульфат свинца: он распадается, а на аноде снова восстанавливается чистый свинец. Благодаря этим несложным химическим процессам есть возможность многократно использовать батарею, то разряжая, то заряжая её повторно.

Но в составе каждого автомобильного аккумулятора присутствует такой рабочий элемент, как электролит — это жидкость, пропускающая электрический ток. Если зарядка длится слишком долго, то сульфата свинца становится всё меньше, и начинается процесс электролиза. Обилие пузырьков приводит к закипанию дистиллированной воды внутри батареи. Допускать такое явление не рекомендуется, потому что возрастает угроза взрыва.

Производители закладывают такую опцию, как постепенное снижение величины заряда на клеммах по мере возрастания напряжения. Также существует угроза потери дистиллята, но её восполняют периодической доливкой. Одним из самых важных критериев аккумуляторных батарей выступает их ёмкость. Аккумулятор устроен таким образом, чтобы отдавать электрическую энергию, и в этом его самое главное предназначение. Чем больше ёмкость, тем большим количеством энергии он делится с потребителями тока.

Измеряется ёмкость в ампер-часах и зависит от активной площади электродов каждой батареи. Чтобы добиться увеличения этого критерия, можно использовать несколько соединённых между собой пластин, выполняющих роль электродов. Их могут изготавливать из пористых материалов, что тоже приносит положительный эффект. Проводить ток в этом случае может не только поверхность, но и внутренняя структура. Ёмкость не является постоянным фактором, она зависит от других обстоятельств: силы разрядного тока, состояния, в котором находятся пластины, температуры рабочей жидкости. Если температура понижается, ёмкость автоматически тоже уменьшится, поскольку вязкость электролита будет снижена, и электрохимические реакции протекают в таких условиях труднее.

Принцип работы автомобильного аккумулятора

Популярность кислотных аккумуляторов основывается на особенностях их работы и эксплуатационных характеристиках. Небольшое внутреннее сопротивление позволяет им выдавать ток на несколько сотен ампер, а именно это требуется стартеру для того, чтобы запустить двигатель внутреннего сгорания. Постоянное совершенствование автомобильного аккумулятора, который был изобретён ещё в 19-м веке, привело к тому, что в настоящее время он широко применяется в различных областях машиностроения.

В основе конструкции такой батареи лежит комплект свинцовых электродов. Все они расположены в одном и том же рабочем корпусе, залитом электролитом. Основу электролита составляет раствор на основе серной кислоты и дистиллированной воды. Для устройства пластин используется губчатый свинец, а также диоксид этого металла. Между пластинами возникает электрический разряд при взаимодействии электродов и жидкости-электролита.

Свинец с диоксидом свинца находятся в водяном растворе серной кислоты и вступают в реакцию друг с другом — на этом основывается принцип работы всех батарей этого типа. Сначала чистый свинец окисляется до сульфата этого металла. В процессе работы АКБ происходит её разряд — в химической реакции это находит своё отражение следующим образом: на аноде диоксид свинца восстанавливается, а на катоде происходит окисление свинца. Как только через электроды начинает проходить ток, химические реакции будут обратно противоположными.

Типы и особенности свинцово кислотных акб

Свинцово-кислотная технология позволила воплотить в жизнь различные виды автомобильных аккумуляторных батарей, которые обладают своими особенностями и преимуществами. Среди наиболее распространённых можно выделить следующие:

1. Жидкостные. Они нуждаются в обслуживании, но являются самыми экономичными. Электролит находится в жидкой форме, поэтому контактировать с ним без специальной защиты опасно для здоровья. Рассчитаны на 250–500 циклов заряда.
2. EFB. Имеют лучшие рабочие характеристики по сравнению с жидкостным типом. Количество циклов заряда и разряда может достигать 1000. Также требуют периодического обслуживания.
3. Гелевые. Не нуждаются в обслуживании. Кроме увеличенного рабочего ресурса, отличаются меньшим испарением электролита, который находится в гелеобразном состоянии. Хорошо выдерживают внешние удары и вибрации.
4. AGM. Одна из самых прогрессивных технологий, предполагающая установку стекловолоконных разделителей, которые накапливают электричество. Они вырабатывают более сильный ток, а заряжаются в 5 раз быстрее.

Преимущества и недостатки свинцово кислотных аккумуляторов

Свинцово-кислотные батареи получили широкое распространение благодаря свой конструкции и эксплуатационным параметрам. Они сравнительно дешевле по отношению к изделиям на основе других химических элементов и отлично подвергаются утилизации. Именно способность к восстановлению позволила аккумуляторам этого типа вытеснить аналоги, ведь уровень повторного применения свинца в ряде государств превышает 98%.

Для того чтобы правильно оценить плюсы и минусы свинцово-кислотного аккумулятора, необходимо учитывать их характеристики, которые важны в процессе эксплуатации. В числе главных преимуществ свинцово-кислотных устройств для производства тока стоит выделить следующие характеристики:

• длительная сохранность заряда по сравнению с оборудованием, принцип работы которого основан на других химических элементах;
• сравнительно простая технология производства позволяет удешевить итоговую стоимость для потребителя;
• эксперты отмечают простоту и неприхотливость в пользовании устройствами этой конструкции;
• отсутствие необходимости в доливке рабочей жидкости;
• высокий пусковой ток, который необходим для ряда транспортных средств.

Наряду с широким перечнем достоинств, аккумуляторы свинцово-кислотного типа обладают и недостатками, которые необходимо учитывать перед их приобретением. Основные недостатки такого оборудования:

• экологические риски, которые АКБ могут причинить окружающей среде, и необходимость обязательной повторной утилизации;
• возможный перегрев батареи в случае неправильного процесса заряда;
• рассчитаны на определённое количество циклов заряда и разряда.
• для хранения батареи должны быть всегда заряженными;
• невысокая энергетическая плотность приводит к проблемам в эксплуатации на стационарных объектах;
• повышенная кислотность электролита негативно сказывается на окружающей среде;
• рассчитаны на определённое количество циклов заряда и разряда;
• перегрев и перезаряд АКБ отрицательно сказываются на её рабочих характеристиках.

Области применения свинцово кислотных аккумуляторов

Применяют батареи, созданные по данной технологии, уже почти 200 лет. Многим потребителям они предпочтительны благодаря невысокой стоимости изготовления, а ещё долговечности. Такое оборудование способно производить высокий пусковой ток, необходимый ряду транспортных средств и оборудования. Основное применение свинцово-кислотных АКБ — это автомобили и механизмы, но есть и другие сферы:

• системы охраны и сигнализаций;
• оборудование для аварийного энергоснабжения и освещения;
• контрольно-измерительные приборы;
• ИБП для компьютерной техники;
• инвалидные кресла;
• детские электромобили и пр.

Источники питания этого типа продолжают оставаться востребованными благодаря высокой ёмкости, небольшому саморазряду и низкому внутреннему сопротивлению.